Es werde Licht. Von der Kerze zum Röntgenlaser. Dr. Martin Köhler Hamburg, 4.11.
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- Hartmut Engel
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1 Es werde Licht Von der Kerze zum Röntgenlaser Dr. Martin Köhler Hamburg,
2 Was ist Licht? Wellen und Teilchen Wasserwellen Trägermedium: Wasser Energie ~ Amplitude Geschwindigkeit der Phase Deep water wave von Kraaiennest - Eigenes Werk. Lizenziert unter GFDL über Wikimedia Commons Beugung Schickt man eine Wasserwelle durch einen (Doppel) Spalt ergibt sich ein Muster Schickt man Teilchen durch einen Doppelspalt ergibt sich: Seite 2
3 Licht am Doppelspalt Schickt man Licht durch einen Doppelspalt sieht man das typische Beugungsmuster von Wellen Licht ist eine (elektromagnetische) Welle James Clarke Maxwell (Klass. Elektromagnetismus) Wie groß ist die Geschwindigkeit v? Sehr groß ca km/s! Licht braucht kein Medium! (Kein Äther!) Der Photoeffekt (Nobelpreis Einstein) zeigt aber auch das Licht Teilchencharakter hat (Quantenmechanik) Aktuell: Quantenelektrodynamik (R. Feynman, J. Schwinger, T. Tomonaga) Seite 3
4 Die Kerze Licht aus Wärme Eine Kerze brennt -> Hohe Temperaturen bis 1400 C Die heißen Gase leuchten nicht! Das gelb/rötliche Licht wird durch die schwarzen Rußteilchen erzeugt, die ein kontinuierliches Spektrum aussenden (Schwarzkörperstrahlung). Das Strahlungsmaximum liegt bei etwa 2 µm Wellenlänge. Schwarzer Körper Absorbiert Strahlung vollständig Intensität und spektrale Verteilung der Wärmestrahlung hängen nur von der Temperatur, nicht vom Material ab! Von Sch - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Seite 4
5 Die Glühlampe eine moderne Kerze Glühlampen erzeugen ebenfalls Licht aus Wärme. Durch elektrischen Strom wird ein Draht, der sich in einem inerten Gas (Stickstoff oder z.b. Krypton) befindet erwärmt, bis er glüht Lichtausbeute nur 2,2%! Bei Halogenlampen wird durch Zusatz von Iod erreicht, dass sich verdampfende Drahtatome mit dem Iod verbinden. Diese Verbindung zerfällt am heißen Draht, so dass sich die Atome wieder am Draht anlagern. -> Höhere Drahttemperatur = Weißeres Licht bei gleicher Lebensdauer. Älteste immer noch funktionierende Glühlampe (seit 1901) in der Feuerwache der Stadt Livermore nahe San Francisco im US-Bundesstaat Kalifornien CC BY-SA 3.0, Seite 5
6 Leuchtstofflampen Licht durch Elektronenstoß Leuchtstofflampen ( Energiesparlampen ) sind Niederdruck-Gasentladungsröhren mit Quecksilber- und Argonfüllung. Das Plasma strahlt Licht aus, wenn die Quecksilberatome von den beschleunigten freien Elektronen angeregt werden und dann wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfallen. By Kurzonddddd - Own work, CC BY-SA 3.0, d= Es wird überwiegend Ultraviolettstrahlung mit nur geringem Anteil an sichtbarem Licht emittiert. Sichtbares Licht wird durch (lumineszierende) Beschichtung erzeugt Wirkungsgrad: ~ 12% Von Stefan Riepl (Quark48) - Eigenes Werk (Originaltext: selbst erstellt), CC BY-SA 2.0 de, Von Anton - de.wikipedia.org, CC BY-SA 3.0, Seite 6
7 LEDs Leuchtdioden Eine Leuchtdiode ist ein lichtaussendender Halbleiter. Elektrisch entspricht sie einer Diode Modell einer Diode ist ein Fahrradventil Halbleiter Atom: Diskrete Energien Kristall: Atome wechselwirken und die Anzahl der erlaubten Energieniveaus steigt (Bändermodell) Bei Halbleitern ist die Bandlücke so klein, dass thermische Elektronen diese überwinden können Von Fietsventiel met afsluiter.svg: Der ursprünglich hochladende Benutzer war IIVQ in der Wikipedia auf Niederländischderivative work: Biezl (Diskussion) - Fietsventiel met afsluiter.svg, CC BY-SA 3.0, Von Ichwarsnur - Eigenes Werk, CC-BY-SA 4.0, rid= Seite 7
8 LEDs II Halbleiter und Dioden Durch Dotierung kann man p und n Halbleiter erzeugen Ein p-n Übergang verhält sich wie eine Diode An der Grenze entsteht eine Zone mit einer Diffusionsspannung Spannung in Durchlassrichtung (+ am p-kristall) baut Potentialwall ab Diode leitet Spannung in Sperrichtung (- am p- Kristall) baut Potentialwall ab Diode sperrt Durchgang: An der Grenzschicht gehen Elektronen vom Leitungs- ins Valenzband ( Rekombination ) Bei direkten Halbleitern (z.b. Gallium) werden hierbei häufig Photonen emittiert Diode leuchtet Von Der ursprünglich hochladende Benutzer war Honina in der Wikipedia auf Deutsch - Übertragen aus de.wikipedia nach Commons durch Leyo mithilfe des CommonsHelper., CC BY-SA 3.0, Von Inductiveload - Eigenes Werk (Own Drawing), Gemeinfrei, Seite 8
9 LED III Farben Die Farbe des Lichts hängt von der Energie der Bandlücke ab Je nach Material reichen die Farben von Infrarot bis Ultraviolett Weiße LEDs Kombination verschiedener Farben und Lichtmischung. Verwendung von Leuchtstoffen (wie bei Leuchtstofflampen) Von Anton (rp) - Fotografiert im Sommer 2003, CC BY-SA 3.0, Von Sven Killig - Selbst fotografiert, CC BY-SA 3.0 de, Von original: Cepheiden crop by iogos CC BY-SA 1.0, Seite 9
10 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Stimulierte Emission bereits von Einstein 1917 beschrieben Den Begriff LASER prägte G. Gould (~1950er) Zunächst Gas-, dann Farbstoff-, Festkörperlaser. Durchstimmbare Laser ab ~1980 (Titan-Saphir) Erste Halbleiterlaser (Laser-Dioden) ebenfalls ab Ende 1980 Eigenschaften: Einfarbigkeit Gerichtet Kohärenz, d.h. Lichtwellen sind phasengleich Physikalische Grundlagen Für die Verstärkung ist eine Besetzungsinversion nötig Mehrniveau-System Übergänge E p E m und E L E 0 schnell Von Wandering Angus at the English language Wikipedia, CC BY-SA 3.0, Von Wandering Angus at the English language Wikipedia, CC BY-SA 3.0, dex.php?curid= Seite 10
11 LASER II Funktionsweise Anregung erfolgt durch Pumpen Verstärkung im Resonator und Auskoppeln der Laserstrahlung Anwendungen Alltag und Unterhaltung (Pointer, DVD, ) Fertigungstechnik (z.b. Beschriften, Schneiden, ) Medizin (z.b. Augenheilkunde) Militär (Lenkung) Wissenschaft und Forschung (z.b. Spektroskopie) Von Sgbeer - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, By Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, CC BY-SA 3.0, Seite 11
12 Freie Elektronen Laser (FEL) DESY FLASH Ein FEL erzeugt kohärente, durchstimmbare Strahlung. Aufbau und Funktion Elektronenquelle erzeugt hochenergetische Teilchen Magnete zwingen Elektronen auf Schlingerkurs Synchrotronstrahlung Durch SASE (self-amplified spontaneous emission) Elektronen bilden Mikrobunche Strahlung wird köherent (LASER) Copyright: DESY 2006 Elektronen werden abgelenkt Lichtbündel zum Experiment Durch extrem kurze Pulse wird man z.b. beim European XFEL (Röntgen-FEL) Molekülfilme drehen können 1. Laser löst Reaktion aus, 2. Laser macht zu verschiedenen Zeiten aufnahmen Zukunft mit dem European XFEL - Ultraschnelle Atombewegungen filmen Copyright: DESY Seite 12
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